El coeficiente de expansión térmica (CTE) se refiere a la velocidad de expansión de un material con el aumento de la temperatura. Más concretamente, este coeficiente se determina a presión constante y sin cambio de fase, es decir, se espera que el material siga estando en su forma sólida o fluida.
Diferentes materiales tienen diferentes CET, que los hacen adecuados para el uso particular para el que se seleccionan. Los materiales cerámicos tienen un CET muy bajo, mientras que los polímeros tienen un CET alto. En el caso de los metales, el invar, una popular aleación de hierro y níquel, es conocido por su muy bajo CET, que lo hace estable en amplios rangos de temperatura. Esta propiedad lo ha hecho útil en el desarrollo de instrumentos de calibración. El mercurio, por el contrario, es conocido por su elevado CET, que lo hace sensible en un amplio rango de temperaturas, tal y como se utiliza en los termómetros de mercurio.
En este artículo, aprenderás sobre:
- Qué es el coeficiente de expansión térmica
- Cómo se mide el coeficiente de expansión térmica
- Aplicaciones y materiales que utilizan el coeficiente de expansión térmica
- Futuros materiales/aplicaciones
¿Qué es el coeficiente de expansión térmica?
El coeficiente de dilatación térmica es la velocidad a la que cambia el tamaño de un material con respecto al cambio de temperatura. Las consideraciones de tamaño pueden realizarse mediante cambios de longitud, área o volumen, por lo que existen coeficientes derivables para las dilataciones lineales, de área y de volumen.
Con una presión supuesta constante, la dilatación lineal, la dilatación de área y la dilatación de volumen pueden escribirse de forma más sencilla como;
`alfa _{L}=\frac{1}{L} \frac{dL}{dT}`
`alfa _{A}=\frac{1}{A}
`alfa _{V}={frac{1}{V}} \donde `L`, `A` y `V` son la longitud, el área y el volumen, respectivamente, y `T` es la temperatura.
La unidad de medida de los coeficientes de dilatación térmica es la inversa de la temperatura, oC-1 o K-1. Sin embargo, a la unidad se le añaden dimensiones extra como cm/cm o mm2/mm2 para poder deducir si el coeficiente es lineal, de área o volumétrico.
Cuando los materiales se calientan, las moléculas de ese material comienzan a agitarse más y la distancia media entre ellas aumenta lo que se traduce en una expansión de sus dimensiones. Esta agitación varía de un material a otro y los distintos materiales responden al aumento de la temperatura de forma diferente debido a sus enlaces atómicos y estructuras moleculares. Hay muchas formas de adaptar esta propiedad del material para que sea útil y otras en las que hay que tener en cuenta para evitar fallos catastróficos.
Medición del coeficiente de dilatación térmica
La medición de los coeficientes de dilatación térmica se produce a través de 3 métodos principales; dilatometría, interferometría y análisis termomecánico.
Dilatometría
La dilatometría es una técnica bastante sencilla en la que se coloca una muestra de ensayo en un horno y se calienta a determinadas temperaturas mientras se captan los cambios en las dimensiones de la muestra mediante sensores de varilla de empuje. Tiene un rango de temperatura de entre -180oC y 900oC.
Interferometría
La interferometría es un sistema de imagen e interferencia óptica que mide los cambios dimensionales durante el calentamiento o el enfriamiento en términos de densidad de longitud de onda de luz monocromática. Tiene una precisión significativamente mayor que la dilatometría.
El análisis termomecánico
El análisis termomecánico implica el uso de un aparato que, a través de un transmisor de sonda y un transductor, puede medir la expansión térmica con respecto a las diferencias de temperatura. Suele tener un rango de temperatura entre -120oC y 600oC que puede ampliarse con diferentes equipos.
Hay otros métodos menos comunes que se están ideando y utilizando en ciertas condiciones especiales. También existen modificaciones de los métodos mencionados, que pueden aumentar enormemente un aspecto del procedimiento, como el rango de temperatura o la precisión de la medición.
Aplicaciones y materiales
Las aplicaciones que requieren consideraciones sobre el coeficiente de dilatación térmica son principalmente los metales, ya que en rangos de temperatura cortos, en los que otros materiales no se destruirían, la dilatación térmica es de hecho despreciable. Sin embargo, en rangos de temperatura más altos, sólo los metales pueden permanecer intactos. Hay varias aplicaciones que requieren que se considere seriamente la expansión térmica. En algunos casos, es deseable que el CET del material utilizado sea muy bajo (como en las aleaciones de baja expansión) y en otros casos, se requiere que sea lo más alto posible (como en las aleaciones de aluminio).
Las aleaciones de baja expansión encuentran aplicación en relojes, pistones para motores de combustión interna, sistemas superconductores y electrónica. Por otro lado, hay que tener en cuenta la dilatación térmica cuando las piezas importantes o críticas contienen una gran cantidad de aluminio. En las aplicaciones de soldadura, los coeficientes de dilatación térmica de dos metales diferentes que se sueldan entre sí deben ser similares, ya que, de lo contrario, existe el riesgo de que se acumulen tensiones residuales a lo largo de la soldadura, lo que puede provocar un fallo. La misma idea se aplica en la construcción (como en los edificios de gran altura o en los puentes), donde se dejan huecos entre la estructura principal no sólo para tener en cuenta los movimientos sísmicos sino también las dilataciones térmicas.
Tabla 1. Coeficiente de dilatación térmica de materiales comunes
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Material |
Coeficiente de dilatación lineal por temperatura (10-6 m.m-¹ K-¹) |
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Diamante |
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Vidrio, Pyrex |
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Madera, pino |
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Albañilería de ladrillo |
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Kovar |
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Vidrio, duro |
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Granito |
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Platino |
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Fundición |
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Níquel |
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Acero |
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Oro |
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Hormigón |
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Cobre |
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Bronce |
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Latón |
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Aluminio |
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Calcio |
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Hielo |
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Mercurio |
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Celuloide |
Futuras aplicaciones y materiales
A medida que se reducen los márgenes de error y aumenta la necesidad de una expansión térmica perfectamente definida en determinados rangos de temperatura, también lo hacen los métodos de ensayo y la creación de nuevos materiales para satisfacer esta demanda. Ya se han desarrollado nuevos métodos para medir el CTE, como la correlación de imágenes por infrarrojos (IIC) y la correlación de imágenes digitales.
Se han explorado nuevas formas de reducir la expansión térmica de materiales como las hebras de Kevlar retorciéndolas como una cuerda. Otros materiales, como el carburo de silicio utilizado en la construcción de telescopios espaciales, se ajustan con precisión a temperaturas tan bajas como -190oC. Se determinan y documentan los datos completos de los materiales y sus CET para facilitar los procesos de selección de materiales para necesidades específicas.
